Der starre Körper ist in der klassischen Mechanik eine idealisierte Modellvorstellung, die von einem nicht verformbaren Körper ausgeht. Der Körper kann eine kontinuierliche Massenverteilung aufweisen oder ein System von diskreten Massenpunkten sein (z. B. Atome, Moleküle). Die Nichtverformbarkeit bedeutet, dass zwei beliebige Punkte des Körpers unabhängig von äußeren Kräften immer den gleichen Abstand zueinander besitzen. Verformungen wie Durchbiegung, Kompression, Dehnung oder innere Schwingungen werden damit ausgeschlossen.
Die Mechanik starrer Körper oder Stereomechanik (von {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:ISO15924:97: attempt to index field 'wikibase' (a nil value)[1]) befasst sich mit der Bewegung starrer Körper unter dem Einfluss äußerer Kräfte. Ein wichtiges Teilgebiet ist die Statik starrer Körper, die sich mit ruhenden starren Körpern befasst. Als Bewegungen treten in der Mechanik starrer Körper ausschließlich Translationsbewegungen des gesamten Körpers in eine Richtung und Rotationsbewegungen des Körpers um eine Achse auf. Zusätzliche Bewegungsformen, wie Schwingungen einzelner Massenpunkte oder Verformungen des Körpers, werden in der allgemeineren Mechanik fester Körper mit den Methoden der Kontinuumsmechanik, Elastizitätstheorie, Plastizitätstheorie oder Festigkeitslehre behandelt.
In der Realität gibt es keine starren Körper, da sich jeder Körper unter der Einwirkung von Kräften verformt. Häufig sind die Verformungen jedoch so gering, dass sie für Berechnungen vernachlässigt werden können und diese Idealisierung probat ist.
Die Modellvorstellung des starren Körpers findet so vielfache Anwendung, insbesondere in den Teilgebieten der Statik und der Kinematik der Technischen Mechanik, sowie als Anwendung in der Robotik, der Auslegung von Fahrwerken und Motoren, siehe Mehrkörpersystem und Mehrkörpersimulation. Die Kreiseltheorie ist die Wissenschaft von der Drehung starrer Körper.
In der Technischen Mechanik gibt es zahlreiche Varianten des starren Körpers, die sich in ihrer Ausdehnung und ihren Belastungen unterscheiden. Außerdem gibt es noch zusammengesetzte starre Körper.[2][3][4]
Annähernd eindimensionale Körper sind Balken und Stab. Bei ihnen ist die Länge deutlich größer als die Breite oder Tiefe.
Flächige Körper sind:
Wenn einzelne starre Körper durch Gelenke oder Kraftelemente miteinander verbunden sind, so spricht man von einem System starrer Körper.
Wird eine Drehachse festgelegt, so wird eine fortdauernde Rotation durch die Winkelgeschwindigkeit
in konstantem Abstand von der Drehachse auf einem Kreis, der senkrecht zur Drehachse liegt. Dabei ist
Herleitung: Bei konstanter Drehgeschwindigkeit durchläuft der Punkt in der Zeit
Mehrere gleichzeitig ablaufende Drehbewegungen mit verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten
Ebenso gehören zu jeder endlichen Drehung eine bestimmte Achse und ein bestimmter Drehwinkel. Mehrere hintereinander ausgeführte endliche Drehungen sind äquivalent zu einer einzigen endlichen Drehung, deren Achse allerdings nicht mit der Vektorsumme der einzelnen Drehachsen zu ermitteln ist. Auch hängt bei nacheinander ausgeführten Drehungen um verschiedene Achsen der Endzustand von der Reihenfolge ab. Dies gilt jedoch nicht für infinitesimale Drehungen, siehe den Eintrag zur Kommutativität der Addition von Winkelgeschwindigkeiten. Deshalb besitzt die Winkelgeschwindigkeit
Statt durch Drehachse und Drehwinkel wird eine endliche Drehung häufig durch die drei Eulerwinkel parametrisiert. Sie sind die Drehwinkel von drei Drehungen um festgelegte Koordinatenachsen, die in festgelegter Reihenfolge ausgeführt werden und so die betrachtete Drehung ergeben. Diese Darstellung eignet sich oft besser für konkrete Berechnungen. Sie lässt sich in die Darstellung mit vektorieller Drehachse und Drehwinkel umrechnen[5], die Formeln haben aber wenig praktische Bedeutung. Weitere Parametrisierungsmöglichkeiten für Drehungen finden sich in den Einträgen Quaternion, Rodrigues-Formel, Euler-Rodrigues-Formel und Orthogonaler Tensor.
Die Bewegung des Körpers lässt sich in eine gleichmäßige Translation aller Partikel des Körpers (und damit auch des Körperschwerpunkts) und eine Rotation zerlegen, siehe Bild. Die Translation werde durch die Bewegung eines Bezugspunkts
Im drei-dimensionalen führt die Berechnung der Geschwindigkeit
Die Beschleunigung ergibt sich zu:
Dabei ist
Die Herleitung dieser in eulerscher Darstellung vorliegenden Bewegungsgleichungen gelingt in der lagrangeschen Darstellung wie folgt.
Sei
Der Vektor
Die Geschwindigkeit des Partikels ergibt sich durch die Ableitung nach der Zeit, die in der Newton-Notation mit einem Überpunkt notiert wird:
Die Winkelgeschwindigkeitsmatrix
schiefsymmetrisch und besitzt im drei-dimensionalen Raum einen dualen Vektor
Mit diesem dualen Vektor, der hier die Winkelgeschwindigkeit darstellt, ergibt sich das Geschwindigkeitsfeld in lagrangescher Darstellung zu:
Die Geschwindigkeit des Partikels P am Ort
Die Zeitableitung des Geschwindigkeitsfelds in lagrangescher Darstellung ergibt:
oder in drei Dimensionen mit dem dualen Vektor:
Die Beschleunigung
Hier wird die obige Aussage deutlich: Das Argument
Die Freiheitsgrade eines n-Teilchen-Systems bilden einen sogenannten Konfigurationsraum. Dieser setzt sich bei starren Körpern aus drei Freiheitsgraden bezüglich der Position und drei weiteren bezüglich der Orientierung zusammen. Neben verschiedenen ortsfesten Koordinatensystemen, die eine Beschreibung der Position erlauben, bieten die Eulerschen Winkel eine Möglichkeit zur Beschreibung der Orientierung, die besonders in der Luft- und Raumfahrt eine wichtige Rolle einnimmt.
Zur Anschauung kann ein freier Körper wie ein (kunstflugtaugliches) Flugzeug herangezogen werden, welches drei Freiheitsgrade einer geradlinigen Bewegung besitzt, da es sich frei in drei Raumdimensionen bewegen kann. Hinzu kommen drei weitere Freiheitsgrade der Drehungen um räumliche (unabhängige) Drehachsen.
Offensichtlich vermindert nun jede Einschränkung der Bewegungsmöglichkeit die Anzahl der Freiheitsgrade. Wird beispielsweise ein Massenpunkt des starren Körpers räumlich fixiert, so kann man in diesen den Ursprung des Bezugssystems legen. Damit fallen die drei Freiheitsgrade der Translation weg. Dadurch reduziert sich die Bewegung auf eine reine Änderung der Orientierung und es bleiben nur mehr drei Freiheitsgrade. Wird ein weiterer Punkt festgehalten, so kann der Körper nur noch um eine raumfeste Drehachse rotieren und hat damit nur noch einen Freiheitsgrad, nämlich die Rotation um diese Achse. Legt man schließlich noch einen dritten Punkt des Körpers fest, der sich nicht auf der Achse der ersten zwei Punkte befindet, so verliert er auch den letzten Freiheitsgrad und ist damit bewegungslos. Jede weitere räumliche Fixierung von Punkten führt nunmehr zu einer sogenannten statischen Überbestimmtheit, die in der Statik eine wichtige Rolle spielt.
Nach der Modellvoraussetzung gelten konstante Distanzen zwischen den Teilchen. Aus dem Schwerpunktsatz lassen sich nun einige Folgerungen ziehen:
Häufig werden dem Modell zudem weitere Idealisierungen zugrunde gelegt, die es erlauben sogenannte Erhaltungssätze zur Bestimmung der Bewegungsgleichung einzuführen:
Wird ein abgeschlossenes System angenommen, so folgt aus dem Impulserhaltungssatz, dass der vektorielle Impuls
Aus dem Drehimpulserhaltungssatz folgt, dass der vektorielle Gesamtdrehimpuls
In den beiden Formeln bezeichnen
In nicht abgeschlossenen Systemen entspricht die Änderung des Impulses der von außen angreifenden, resultierenden Kraft und es gilt das zweite Newtonsche Gesetz:
Weiter ist nach dem Drallsatz die Änderung des Drehimpulses gleich dem von außen angreifenden, resultierenden Moment. Bezüglich des Schwerpunkts des Körpers oder eines unbeschleunigten Bezugspunkts gilt die Eulersche Gleichung:
Wird ein konservatives Kraftfeld zugrunde gelegt, so folgt aus dem Energieerhaltungssatz, dass die mechanische Gesamtenergie
Dabei bezeichnen:
Eine Formänderungsenergie, die bei nicht starren, elastischen Körpern noch zu addieren wäre, entfällt hier per definitionem.
Die Winkelgeschwindigkeit ist unabhängig davon, welcher Punkt als Bezugspunkt der Starrkörperbewegung gewählt wird. Wenn also zwei verschiedene Formulierungen
für dieselbe Bewegung vorliegen, dann ist
Vergleich der Geschwindigkeitsfelder zeigt:
Bei verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten
Das Konzept des starren Körpers ist inkonsistent mit den Vorhersagen der Relativitätstheorie, da nach ihm stets der gesamte Körper auf Kräfte und Drehmomente gleichzeitig reagiert, was impliziert, dass ihre Wirkungen sich innerhalb des Körpers mit unendlicher Geschwindigkeit ausbreiten, insbesondere also schneller als mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit c. Bei realen Körpern breiten sich Wirkungen hingegen üblicherweise mit der für den Körper spezifischen Schallgeschwindigkeit aus, die weit unterhalb von c liegt.